Ковжога С.О., Писарєв А.В., Тузіков С.А., Карманний Є.В., Яценко В.В.

(Національна юридична академія України ім. Я. Мудрого)

Фізико-механічні процеси дезактивації пінами

Процес дезактивації зв’язаний з видаленням радіоактивних (РА) забруднень з поверхонь об’єктів. В випадку поверхневого забруднення дезактивація обмежується видаленням з поверхні об’єкту РА речовин, які закріпились на ній в наслідок адгезії і адсорбції молекул або іонів радіонуклідів (РН).

Для дезактивації при глибинному забруднені цього недостатньо – виникає необхідність витягнення РА забруднень, які потрапили в глибину поверхні, і тільки після цього відбувається видалення РА забруднень, які перейшли з глибини на поверхню об’єкту. Видалення РА забруднень з глибини поверхні можна здійснити з використанням піни, що утворюється в результаті диспергіровання у водне середовище повітря або в результаті пересичення розчину парами. Необхідною умовою утворення пін методом диспергіровання є наявність піноутворюючої речовини, головним компонентом якої є поверхнево активні речовини (ПАР).

Досвід ліквідації аварії на ЧАЕС дає можливість аналізу фізико-механічних процесів дезактивації з використанням пін.

При впливі пухирців піни 4 (рис. 1) на оброблювану поверхню, коли РА речовини знаходяться в мастильній плівці (1) у виді частинок (2) і РН (3), відбувається дезактивація поверхневих і глибинних РА забруднень [1].

Як і в інших способах при дезактивації піною можна розглядати дві стадії процесу. Перша стадія полягає в подоланні зв'язку РА забруднень з поверхнею і

викликана рядом колоїдно-хімічних явищ, що діють у сукупності.

Рис. 1. Схема процесу дезактивації поверхні 4 пухирцем піни рідких

у шарі мастила (1), твердих (2) забруднень і РН (3);

5 — шар води після руйнування піни

Спочатку в результаті кінетичного впливу пухирців піни відбувається відрив незначної частини переважно адгезійно - зв'язаних РА забруднень. У наступному відбувається змочування оброблюваної поверхні тонким шаром води 5, що утвориться в результаті руйнування частини пухирців при зіткненні їх з оброблюваною поверхнею. Прошарок у пухирці сприяє видаленню і дробленню шару мастила (1), що містить РН. Під дією капілярного ефекту відбувається переміщення рідини і подальше очищення поверхні від РА забруднень, а також утягування їх у піну. Цей процес на рис. 1 показаний пунктирними стрілками. Видалення РА з поверхні відбувається в такий же спосіб, як і під дією дезактивуючого розчину (ДР) на основі ПАР.

Піни, у тому числі і застосовувані для дезактивації [2-4], характеризуються визначеним розміром пухирців; оптимальним можна вважати діаметр пухирців 160 - 210 мкм. Однією з основних властивостей піни є її кратність , що показує відношення обсягу піни до обсягу розчину, з якого вона приготовлена . З урахуванням обсягу газу , що утримується в пухирцях, кратність піни дорівнює:

У залежності від кратності розрізняють вологі піни, коли , напівсухі і сухі . У практиці дезактивації в основному застосовують напівсухі піни, кратність яких не перевищує 40 [5]. По іншим даним [6], кратність застосовуваних для дезактивації пін знаходиться в межах від 20 до 200.

Час життя піни визначає експозицію дезактивації й оцінюється лінійною швидкістю розпаду піни. Вона знаходиться експериментально і дорівнює об'ємній швидкості розпаду піни [] до площі поверхні розділу піна - повітря [ ] і має розмірність []. Встановлено [6], що при температурі 2° С и відносній вологості повітря 60% лінійна швидкість розпаду піни не повинна бути менше 0,18 м/с.

Як і у випадку ДР до складу піни повинні входити як мінімум два компоненти - ПАР і комплексоутворювач. В одній з композицій пін у якості ПАР рекомендується використовувати динатрієву сіль хромотроповой кислоти, а в якості комплексоутворювача - хелатні сполуки. У [7] відзначається, що до складу пін уведений триетаноламін, як комплексоутворювач.

До складу пін можуть входити й інші речовини, що прискорюють дезактивацію. Так в одну з композицій уведені щавлева кислота і суміш силікагелю з доломітом як сорбент.

При використанні пін, так само як і ДР на основі ПАР, на дезактивацію "працює" тонкий шар рідини, що стикається з забрудненою поверхнею. Решта рідини ДР виявляється марною. У піни використовується значно більша частина рідини для дезактивації, що дозволяє, принаймні, у 5 разів скоротити витрату ДР. Використання колоїдних властивостей пухирців пін також дозволяє підвищити ефективність обробки.

Піни для дезактивації можуть бути використані в різних варіантах. Перший з них заснований на нанесенні піни, витримці (експозиції) протягом визначеного часу на оброблюваній поверхні. Крім того можлива обробка поверхонь на основі другого варіанту - шляхом циркуляції піни, а також очищення піною водного середовища.

Найбільше часто пінний спосіб реалізується в першому варіанті, коли після нанесення і витримки, що обчислюється десятками хвилин [6], відбувається видалення піни різними способами: струменем води, за допомогою вакууму, механічним шляхом.

Ефективність дезактивації визначалася в залежності від часу занурення забруднених поверхонь у піну. Забруднення вироблялося в розчині РН ¹⁴⁴Се, ¹⁰⁶Ru, ⁹⁵Zr, питомою активністю 10 ^-3 Ки/л. Після витримки в забрудненому розчині дезактивація проводилася піною з початковою кратністю 100 - 150. Піна приготовлялась на основі розчину, що містить азотну і щавлеву кислоти й алкилсульфат; у залежності від часу занурення забрудненої поверхні в піну ефективність дезактивації змінювалася в такий спосіб (піна змивалася струменем води):

Час витримки, хв	15	30	60
Коефіцієнт дезактивації (КД) поверхонь: з нержавіючої сталі з пластикату 57 - 40	18 24	27 25	40 42

Подібна, досить значна ефективність дезактивації, можлива в умовах твердого РА забруднення лише при достатньому часі впливу піни на забруднену поверхню.

Пінний спосіб дезактивації не позбавлений недоліків. Ці недоліки зв'язані зі здійсненням другої стадії процесу дезактивації. Транспортуюча здатність піни незначна. З часом піна гасне, що дає можливість РА забрудненням знову осісти на вже оброблену поверхню. Ця обставина визначає двохстадійну обробку; витрата води, наприклад, для змиву піни до десяти разів перевищує витрата піноутворюючого розчину [6].

Коефіцієнт дезактивації пінною кратністю 30 - 35, коли РА забруднення знаходилися на поверхні в мастильному шарі товщиною 2-3 мм, складав 12 - 47 у залежності від виду мастила. Найменша ефективність досягалася в тому випадку, коли РА забруднення впроваджувалися в автол. При обробці 160 пластин, розміром 3 x 6 мм, забруднених РА частками (1 % - ним розчином СФ із нормою витрати піни 0,8 л/м² і з наступним змивом водою, витрата 0,4 л/м²), коефіцієнт дезактивації склав всього 2,5. При збільшенні витрати води, що змиває, до 1 л/м² КД збільшився до 24.

При обробці поверхонь будівельних конструкцій АЕС, забруднених РН ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, піна застосовувалася з розрахунку 1 л/м², кратність піни не зазначена. Після нанесення піни і витримки її протягом 20 і 30 хв. відбувалося видалення залишків піни вручну [7]. КД при обробці стін кімнат і реакторного залу коливався в досить широких межах від 20 до 200.

Для дезактивації поверхонь, забруднених сумішшю РН із переважним вмістом ¹³⁷Cs, застосовувався ДР, до складу якого входила азотна кислота і сорбент. За допомогою такої піни проводилася обробка вертикальних і горизонтальних поверхонь. Показники пінного способу дезактивації наступні [3]: кратність піни 15 - 17; час витримки піни на вертикальних поверхнях 15 - 20 хв., горизонтальних 40 - 50 хв.; КД нержавіючої сталі - 13, пластикату - 38, пофарбованою емаллю поверхні - 23; після дезактивації утворилося 0,03-0,04 кг відходів на 1 м² обробленій поверхні. Спосіб видалення піни в роботі [3] не зазначений.

Дезактивації шляхом циркуляції сухої піни (кратністю більш 100, для стабілізації додавали окис алюмінію) піддавалися зразки у виді пластин з нержавіючої сталі розміром 50 x 25 мм, що забруднювалися сумішшю РН із переважним вмістом ^l44Cs. Зразки увесь час оброблялися піною при температурі 60 °С, а швидкість її руху складала 3,7 см/с. Коефіцієнт дезактивації досягав 50, а ефективність дезактивації піною не уступала обробці цих поверхонь протягом 8 годин 1 % - ним розчином азотної кислоти. Методом циркуляції піни можлива дезактивація внутрішніх поверхонь трубопроводів.

Піна, що містить 0,005% желатину, отримана шляхом барбортажа пухирців повітря, використовувалася для очищення води від РН ⁸⁹Sr [4]. Очищення засноване на переводі РН у форму колоїдів, для чого у воду уводять фосфат-іон. У результаті додавання солей або утворюються частинки колоїдних розмірів, що містять РН ⁸⁹Sr, що прилипають до пухирців піни. Таким чином, витягаються з водного середовища РН, а концентрація РН у піні в 1760 разів перевищує концентрацію його в середовищі, що очищається. Очищення води відбувається у виді циклів, що повторюють, з додаванням 75% желатину від первинної кількості за кожен цикл. За шість циклів обробки при температурі 40-60 °С, коефіцієнт очищення, що розраховувався по формулі де , - концентрація РА речовин (об'ємна активність) до і після дезактивації, склав 300.

Таким чином, використання пін дозволяє дезактивувати такі об’єкти, для яких інші способи виявляються неприйнятними, наприклад: літаки і вертольоти; поверхні складної конфігурації, виїмки яких доступні для піни; деякі види оптичної, електронної і іншої апаратури.

Література:

1. Зимон А.Д., Пикалов В.К. Дезактивация. - М.: ИздАТ, 1994. – 336 с.

2. Тихомиров В.К. Пены. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Химия, 1983.

3. Кузнецов Ю.В., Щебетовский В.И., Бочков А.А. // Труды советско–французского семинара по атомной энергетики. Л.: Лен. технический институт, 1985. С. 1-12.

4. Маслов В.И. // Коллоидн. журн. 1987. Т.49, № 2. С. 359-360.

5. Хашин М., ЭчертД. // Труды Амер. об-ва инженеров – механиков. Сер. Б. 1990, № 5. С. 93-99.

6. ОСТ 95-949-85. Пенный способ дезактивации. М.: Минатомэнерго, 1985.

7. Анисимов А.И., Осминин В. // Исследование по химии и техники и применению РА веществ. Л.: Изд. Лен. техн. ин-т, 1988. С. 94-98.